溶洞规模对深埋隧道爆破围岩稳定性的影响.pdf

第37卷第1期 2020年3月 Vo l . 37 No . 1 Ma r. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 - 487 X. 2020.01 ・ 006 溶洞规模对深埋隧道爆破围岩稳定性的影响 （1.武汉理工大学a .道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室;b. 土木建筑与工程学院，武汉430070； 2.中国建筑第二工程局有限公司，北京100160） 摘要为了研究埋岩溶隧道爆破开挖时围岩损伤机制，通过动静组合（爆炸荷载、地应力共同作用）作用 下岩体损伤演化方程建立应力场与损伤场之间的耦合关系，并根据渗透系数随损伤的变化方程建立动静组 合作用下岩体渗流-应力-损伤耦合模型。利用COMS OL Mul t ip hy sic s软件建立计算模型并进行二次开发，研 究在不同溶洞空间位置及尺寸条件下爆破开挖对围岩稳定性的影响。研究表明当溶洞位于隧道上侧时围 岩中孔隙水压力最大；溶洞半径越大围岩中孔隙水压力越大。在孔隙水压力的作用下，隧道与溶洞间岩体中 的有效应力先衰减后增强。随着有效应力的衰减，隧道围岩损伤范围与溶洞围岩损伤范围的变化规律相反。 关键词 深埋岩溶；渗流场；应力场；全耦合；损伤 中图分类号U45 文献标识码A 文章编号1001 -487 X（2020）01 -0040 - 06 Influence of Scale of Karst Cave on Stability of Surrounding Rock in Deep Tunnel Blasting L I Xin-ping, Z HENG Qing-qingl b ,L UO Kl al b ,XIA Xin-bing2, XU Kun“ , QU Deng-xingl b ,L UO Z h eng-k unb 1. a . Hubei Key La bo ra t o ry o f Ro a d-bridge a n d S t ruc t ure En gin eerin g ； b ・ S c ho o l o f Civil En gin eerin g a n d Arc hit ec t ure, Wuha n Un iversit y o f Tec hn o l o gy, Wuha n 43007 0,Chin a； 2. Chin a Co n st ruc t io n S ec o n d En gin eerin g Burea u Co Lt d, Beijin g 100160, Chin a Abstract In o rder t o st udy t he da ma ge mec ha n ism o f surro un din g ro c k durin g bl a st in g exc a va t io n o buried k a rst t un n el, t he c o up l in g rel a t io n ship bet ween st ress fiel d a n d da ma ge fiel d wa s est a bl ished by t he eq ua t io n o f ro c k ma ss da ma ge evo l ut io n un der st a t ic -dy n a mic c o mbin a t io n effec t sexp l o sive l o a d a n d gro un d st ress. Ac c o rdin g t o t he va ri a t io n eq ua t io n o f p ermea bil it y c o effic ien t wit h da ma ge, a seep a ge-st ress-da ma ge c o up l in g mo del o f ro c k ma ss un der dy n a mic a n d st a t ic c o mbin a t io n effec t wa s est a bl ished. An d t he COMS OL Mul t ip hy sic s so ft wa re wa s used t o est a bl ish t he c a l c ul a t io n mo del a n d t he sec o n da ry devel o p men t wa s c a rried o ut t o st udy t he in fl uen c e o f bl a st in g exc a va t io n o n t he da ma ge degree o f surro un din g ro c k un der differen t k a rst sp a t ia l p o sit io n a n d size c o n dit io n s. The resul t s sho w t ha t when t he k a rst c a ve is l o c a t ed o n t he t un n el, t he p o re wa t er p ressure is t he l a rgest in t he surro un din g ro c k . Un der t he a c t io n o f p o re wa t er p ressure, t he effec t ive st ress in t he ro c k ma ss bet ween t he t un n el a n d t he c a vern is first a t t en ua t ed a n d t hen en ha n c ed. Wit h t he a t t en ua t io n a n d en ha n c emen t o effec t ive st ress, t he da ma ge ra n ge o t he t un n el sur ro un din g ro c k is o p p o sit e t o t ha t o f t he surro un din g ro c k da ma ge ra n ge o f t he c a ve. Key words deep k a rst ； seep a ge fiel d ； st ress fiel d ； ful l c o up l ed mo del ； da ma ge ra n ge 第37卷第1期李新平，郑青青，罗忆，等溶洞规模对深埋隧道爆破围岩稳定性的影响41 在高压突水地区,岩体中的渗流水将产生体积 力，岩体将沿着裂隙劈裂破坏改变了围岩中的应力 分布⑴。各国岩土工程学者围绕工程实践中渗流- 应力耦合控制方程的求解等方面开展了大量的研 究3］。Tsa n g得出导水系数和应力的负指数关系 方程国。认为由于岩石张开度的变化，裂隙渗流出 现偏流现象。杨延毅等较早对渗流-损伤本构模型 进行研究和探讨⑵。贾善坡等在连续损伤力学理 论基础上分析在孔隙压力和塑性损伤演化共同作用 下岩体损伤演化机制⑷。史世雍等分析了溶洞空 间位置对于隧道围岩稳定性影响⑼。 前人的大部分工作是建立静荷载作用下岩体渗 流-应力-损伤耦合模型。基于此，论文建立了动静 组合作用下岩体渗流-应力-损伤耦合模型。在耦合 模型的基础上，分析溶洞的空间分布、溶洞的尺寸对 围岩中渗流场、损伤场的影响。将所建立的数学模 型导入COMS OL Mul t ip hy sic s软件中分析围岩中孔 隙水压力、围岩损伤的变化规律。 1动静组合作用下围岩渗流-应力-损 伤耦合模型 1.1动静组合作用下岩体损伤变量方程动静组合作用下岩体损伤变量方程 在动静组合作用下，当隧道围岩的单元瞬时应 力状态或应变状态满足某个给定的损伤阀值时，单 元出现损伤。其一，当单元的最大拉应变达到其动 态抗拉强度时，单元开始发生拉伸损伤;其二，当单 元的应力状态满足Ho ek -Bro wn准则时，该单元发生 压剪损伤。 1拉伸损伤 在单元处于受拉状态下,采用单元最大主应变 Ep唤求解岩体受拉损伤变化。 1 t l f 1. 2 0. 2护，％ w 1 E 1 1 - ---------/ 5、i7，兀三 1 L Eet ratx - 1 * 二皿 2 t ,r 收稿日期2019-10-20 作者简介李新平1963 -，男，1990年于中国科学院武汉岩土力学 研究所获博士学位，现任教授，主要从事裂隙岩体力学特 性、爆破控制技术与爆破效应方面的教学与研究工作， E-ma il xin p in gl i whut . edu. c n0 通讯作者罗 忆1984 -，男,2012年与武汉大学获博士学位，现 任副教授，主要从事岩土动力学的教学与研究工作，E- ma il 1903416046 q q . c o mo 基金项目国家自然科学基金项目No . 51774222;国家自然科学基 金青年项目No . 51609183 式中％为材料参数;S d为岩体材料的动态抗 拉强度代表值为S d相应的峰值拉应变。 2压剪损伤 _ 在受压状态下，考虑采用等效塑性应变表征 岩体损伤变量的演0过程。 等效塑性应变的计算公式为 弓晋/勺1 -勺22 弓2 -弓3 勺3 -勺12 3 在应力和水压力的耦合作用下,岩石应力超过 萝强度时,围岩产生塑性变形。试验研究吏明,随着 的增加，损伤逐渐加剧，损伤变量。是的非线 性函数，可表示成等效塑性应变的指数函数。 De Aoe Bo 4 ePn - 5 p ma x 式中％和勺3分别」为3个主塑性应变;％ 为归一化的等效塑性应变； ““为极限塑性应变,为 岩石完全损伤时所对应的等效塑性应变值;仇、禺 为材料参数。 12动静组合作用下围岩渗流-应力耦合控制方程动静组合作用下围岩渗流-应力耦合控制方程 在岩体渗流的等效连续介质模型中，将岩体视 作是由骨架颗粒和孔隙裂隙构成的均匀介质，在 完全耦合分析中应将岩石渗透系数视为一个变量。 本文将渗透系数的变化规律与岩体损伤进行耦合， 建立耦合公式以便反映渗流场中岩体渗透系数与应 力场损伤之间的耦合关系。 渗透系数一损伤方程是渗流应力耦合分析不可 缺少的控制方程。在进行耦合分析时，岩体介质固 相由未损伤部分和损伤部分组成。当材料承受荷载 时，受损固相部分不能承受剪切荷载,而未损伤部分 依然能够承担剪切荷载与静水压力，因此材料总体 的承载能力只是相比于损伤前降低了，相当于出现 了一定的折减。按照渗流的立方定理，考虑岩体损 伤后的渗透系数演化方程可以表达为⑴］ 1 -Dku DkDl 虏 A 6 式中爲为未损伤区岩体的渗透系数;仏为损 伤岩体的渗透系数;伊为缺陷相的塑性体积应变， 虏为塑性体积应变。 基于Ko zen y -Ca rma n公式，可以得到损伤岩体 的渗透系数与未损伤岩体渗透系数的关系⑴］。 免褊口；丁恋 7 1 ” 42 爆破 2020年3月 2动静组合作用下围岩多场耦合的数 值模型 2.1工程概况工程概况 新疆天山某隧道线路走廊带在区域地貌位置上 隶属于新疆天山山脉西段北支脉一北天山。走廊带 主要以沉积地层为主，岩浆岩分布零星。岩溶裂隙 非常发育，加之断层和构造节理裂隙的发育，使得围 岩内部具有非常良好的储水空间。 2.2建立模型建立模型 1建立计算模型 建立长X宽X高为70 mx7 0 mx7 0 m的三维 模型，隧道掌子面尺寸为12 mx9 m,溶洞为3 mx 3 mxl 4 m的椭球。隧道掌子面中心与溶洞截面中 心的水平距离17 .5 mo见图1、图2。 图1三维几何模型（单位c m） Fig. 1 3D geo met ric mo del（un itc m） 图2断面示意图（单位c m） Fig. 2 S ec t io n a l sc hema t ic dia gra m （un it c m） 2 模型边界条件 模型边界条件分为渗流边界条件、位移边界条 件和应力边界条件3类。 渗流边界条件 ① 根据现场地质勘探报告，隧道穿越的地区降 雨量丰富,并且地表存在河流。各河流均发育于天 山腹地。为了方便计算，模型边界施加水头压力，施 加水头压力为500 k Pa。 ② 溶洞内部存在承压水，隧道右侧7 .5 m左右 范围内有水压力为10 MPa的溶洞。因此在建模时, 将溶洞内水压力设置为10 MPa。 ③ 出渗边界包括隧道的四周边界和掌子面。 位移边界条件为底面全约束，其他边界设置成 无反射边界。 应力边界条件为新疆北天山深埋隧道的最大 埋深为1500 m。根据李新平、汪斌关于我国大陆实 测深部地应力分布规律研究,将1500 m的山体 作为40 MPa静压力加载在模型的边界。 3 爆炸荷载 参考实际的爆破过程，将爆破应力施加在隧道 开挖面上。作用在开挖面上的力为⑴] F Po sin [4irl 甩0 勾打 Po 1.4Q x 108 , t0 Q 亍 x 10“ ■ 8 式中P。为炸药单位作用力，N苗为爆炸开始 时间”0为爆炸终止时间；Q为炸药量，k g； a为 参数。 4 计算材料参数 在COMS OL Mul t ip hy sic s软件中建立岩石材料 模型,在软件中将材料定义为弹塑性材料且引用 Ho ek -Bro wn的岩石准则。针对新疆天山北某隧道 的地质条件,将岩层定义为钙质英砂岩，具体的材料 参数见表1 O 表1岩石、炸药物理参数 Table 1 Physical parameters of rocks and explosives 岩石密度/ （k g * m-3） 岩石弹性 模量/GPa 岩石 泊松比 岩石单轴抗拉 强度/MPa 岩石单轴抗压 强度/MPa 炸药量 Q/k g 渗透系数窓/ （10 5 c m s 1） 2600300.25585301 5研究工况 ①溶洞位置 主要的研究工况是溶洞的空间分布，分析溶洞 在隧道的右侧、上侧、下侧时围岩有效应力的分布及 围岩损伤范围。见图3。 ②溶洞尺寸 主要的研究工况为不同溶洞截面半径对于围岩 中有效应力分布及围岩损伤范围的影响。溶洞半径 第37卷第1期李新平，郑青青，罗 忆，等 溶洞规模对深埋隧道爆破围岩稳定性的影响43 的变化氾围是a 2、4、6、8 mo见图4。 图3溶洞空间位置分布示意图单位c m Fig. 3 S c hema t ic dia gra m o f t he l o c a t io n o f t he c a vern sp a c e un it c m 图4溶洞尺寸大小示意图单位c m Fig. 4 S c hema t ic dia gra m o f t he size o f t he c a ve un it c m 6计算过程 将建立的岩体在动静组合作用下渗流-应力-损 伤耦合模型通过二次开发嵌入到COMS OL Mul t ip hy sic s 软件中实现了数值仿真计算，具体步骤为 ① 在初始地应力条件下,将围岩中渗流场作为 水力荷载施加到模型中，实现地应力与水荷载的初 始耦合O ② 对COMS OL Mul t ip hy sic s软件进行二次开发, 继承地应力、水荷载的应力状态，在此基础上进行爆 破开挖，将围岩的损伤本构关系导入COMS OL Mul t ip hy sic s 软件中，实现应力-渗流-损伤的初次耦合。 ③ 根据围岩的损伤分布,建立围岩渗透系数与 围岩损伤的关系，实现应力、渗流、损伤的交叉耦合。 ④ 利用COMS OL Mul t ip hy sic s软件后处理功能, 计算出围岩中的孔隙水压力、有效应力、损伤因子 数值。 3动静组合作用下围岩渗流场-应力 场-损伤场特征分析 3.1渗流场的特征分析渗流场的特征分析 3.1.1 溶洞位置对渗流场的影响 溶洞的存在导致了岩体中应力场分布不均匀。 当溶洞在隧道上侧时,在高地应力的作用下,溶洞的 岩层发生了较大变形导致了溶洞内水头压力的增 加。另外，地应力与爆炸荷载共同作用导致了围岩 的损伤变量增大，较大的损伤变量使得岩体渗透系 数增大。在渗透系数较大的围岩中，岩溶水更容易 渗透，孔隙水压力更大。当溶洞在隧道下侧时，高地 应力导致了隧道岩层发生大变形，已开挖的隧道对 溶洞变形起到了削弱作用，因此溶洞围岩的变形减 弱，溶洞内水头压力较少。 从图5中可以看出孔隙水压力在隧道与溶洞间 围岩中的分布状态是越靠近溶洞，围岩中的孔隙水 压力越大。当溶洞位于隧道上侧时围岩中的孔隙水 压力最大;溶洞位于隧道右侧时孔隙水压力次之;溶 洞位于隧道下侧时孔隙水压力最小。当溶洞位于隧 道上侧时，溶洞边界围岩中孔隙水压力为39 MPa , 是溶洞在隧道下侧时的1.21倍。 o 5 o 5 4 3 4 3 edz U田系範卡 0 5 0 5 0 0 5 0 5 0 3 2 2 1 1 3 2 2 1 1 溶洞在上侧 溶洞在右侧 溶洞在下侧 0 1.53.0 4.5 6.0 7 .5 隧道溶间测点距隧道边界距离/m 图5不同溶洞位置条件下孔隙水压力分布图 Fig. 5 Po re wa t er p ressure dist ribut io n ma p un der differen t k a rst l o c a t io n s 3.1.2溶洞尺寸对渗流场的影响 在高地应力作用下,溶洞尺寸影响着溶洞围岩 中应力场的分布。当溶洞尺寸越大时，在高地应力 的作用下，溶洞的岩层更容易发生了大变形导致溶 洞内水头压力的增加。围岩中的大变形引起了损伤 变量增大，从而导致岩体的渗透系数增加。在渗透 系数较大的围岩中,岩溶水更容易渗透,孔隙水压力 更大。 从图6中可以看出孔隙水压力在隧道与溶洞间 围岩中的分布状态是越靠近溶洞，围岩中的孔隙水 压力越大。当溶洞半径为8 m时围岩中的孔隙水压 力最大;溶洞半径为6 m时孔隙水压力次之;溶洞半 44爆破2020年3月 径为2 m时孔隙水压力最小。当溶洞半径为8 m 时，溶洞边界的孔隙水压力为37 . 8 MPa ,是溶洞半 径为2 m时的1.34倍。 o 5 o 5 4 3 4 3 e d - e d - 田系題 - 0 5 0 5 0 0 5 0 5 0 3 2 2 1 1 3 2 2 1 1 -■-溶洞半径2 m T一溶洞半径4 m -一溶洞半径6 m 溶洞半径8 m 0 1.5 3.0 4.5 6.0 7 .5 隧道溶间测点距隧道边界距离加 图6不同溶洞尺寸条件下孔隙水压力分布图 Fig. 6 Po re wa t er p ressure dist ribut io n ma p un der differen t Ca ve size 3.2有效应力的特征分析有效应力的特征分析 3.2.1 溶洞位置对有效应力的影响 溶洞的空间位置变化会引起围岩中孔隙水压力 的不同分布。孔隙水能够抵消动静组合作用下（爆 炸荷载与地应力共同作用）的有效应力。当溶洞在 隧道上侧时，围岩中孔隙水压力最大。隧道附近围 岩中爆炸荷载和地应力共同作用下的有效应力在孔 隙水压力的抵消下，有效应力会快速衰减。溶洞附 近围岩中孔隙水压力增大，孔隙水压力与地应力共 同作用导致了围岩中的有效应力增加。 从图7中可以看出应力场从隧道边界向溶洞边 界传播的过程中,应力出现了快速衰减然后又再次上 升的现象。当溶洞在隧道上侧时，隧道附近围岩中有 效应力衰减速度最快，溶洞附近围岩中有效应力上升 速度最快;溶洞在隧道下侧时,隧道附近围岩中有效 应力衰减速度最慢，溶洞附近围岩中有效应力上升速 度最慢。当溶洞在隧道上侧时，溶洞边界围岩中的应 力为80.9 MPa ,是溶洞在隧道下侧时的1.12倍。 E d p v F 13 0 1.5 3.0 4.5 6.0 7 .5 隧道溶间测点距隧道边界距离/m 图7不同溶洞位置条件下应力场分布图 Fig. 7 S t ress fiel d dist ribut io n dia gra m un der differen t c a ve l o c a t io n s 3.2.2 溶洞尺寸对应力场的影响 溶洞的尺寸变化会引起围岩中孔隙水压力的不 同分布。当溶洞半径为8 m时，围岩中孔隙水压力 最大。隧道附近围岩中爆炸荷载和地应力共同作用 下的有效应力在孔隙水压力的抵消下,有效应力会 快速衰减。溶洞附近围岩中孔隙水压力增大，孔隙 水压力与地应力共同作用导致了围岩中的有效应力 增加。 从图8中可以看出应力场从隧道边界向溶洞边 界传播的过程中，应力出现了快速衰减然后又再次 上升的现象。当溶洞半径为8 m时,隧道附近围岩 中有效应力衰减速度最快，溶洞附近围岩中有效应 力上升速度最快;溶洞半径为2 m时,隧道附近围岩 中有效应力衰减速度最慢，溶洞附近围岩中有效应 力上升速度最慢。当溶洞半径为8 m时，溶洞边界 的应力为91 MPa ,是溶洞半径为2 m时的1.5倍。 0 1.5 3.0 4.5 6.0 7 .5 隧道溶间测点距隧道边界距离/m 图8不同溶洞尺寸条件下应力场分布图 Fig. 8 S t ress fiel d dist ribut io n dia gra m un der differen t c a ve l o c a t io n s 3.3损伤场的特征分析损伤场的特征分析 3.3.1损伤场随溶洞位置的变化规律 前文中讨论了不同溶洞位置条件下有效应力的 变化规律，有效应力的分布导致了围岩损伤范围变 化。本节进一步的研究围岩损伤场在不同溶洞位置 条件下的变化规律。文中提出的等效塑性应变来衡 量围岩出现损伤的情况。对于岩石材料而言，当围 岩出现塑性应变的同时伴随着损伤的出现「⑷。根 据损伤变量D确定围岩的损伤范围，这里需要指出 当损伤变量D0时则认为围岩出现了损伤。 从图9中可以看出随着溶洞空间位置的变化，隧 道围岩损伤范围与溶洞围岩损伤范围的变化规律相 反。当溶洞在隧道上侧时，溶洞围岩的损伤范围最 大，损伤边界与溶洞边界的距离为1-7 m；隧道围岩的 损伤范围最小，损伤边界与隧道边界的距离为1 m。 第37卷第1期李新平，郑青青，罗 忆，等 溶洞规模对深埋隧道爆破围岩稳定性的影响45 当溶洞位于隧道的下侧时，溶洞围岩的损伤范围最 小，损伤边界与溶洞边界的距离为0.9 m；隧道围岩的 损伤范围最大，损伤边界与隧道边界距离为1-5 m。 弋一 1-0 侧 O O - - 2 1 1 0 2 1 1 0 一溶洞围岩损伤 隧道围岩损伤 右侧 下侧 溶洞位置 图9不同溶洞位置的损伤范围 Fig. 9 Da ma ge ra n ge o f differen t gro un d st resses 3.3.2 损伤场随溶洞尺寸的变化规律 溶洞的尺寸变化导致了围岩中有效应力的重新 分布。有效应力的分布导致了围岩损伤范围的变 化。溶洞半径为8 m时，隧道附近围岩中有效应力 快速衰减，因此隧道附近围岩中损伤范围最小;溶洞 附近围岩中有效应力快速增加，溶洞围岩的损伤范 围最大。当溶洞半径为2 m时，隧道附近围岩中有 效应力衰减较慢，因此隧道附近围岩中损伤范围最 大;溶洞附近围岩中有效应力缓慢增加，溶洞围岩的 损伤范围最小。 从图10中可以看出随着溶洞半径增加,隧道围 岩损伤范围与溶洞围岩损伤范围的变化规律相反。 当溶洞半径增大时,隧道附近围岩损伤范围减小，溶 洞附近围岩的损伤范围增大。当溶洞半径为8 m 时，隧道附近围岩损伤边界与隧道边界的距离为 1 m；溶洞附近围岩的损伤边界与溶洞边界的距离 为1.7 mo当溶洞半径为2 m时，隧道附近围岩的 损伤边界与隧道边界的距离为1.6 m；溶洞附近围 岩的损伤边界与溶洞边界的距离为0.5 m。 0 5 0 5 0 5 0 5 左 1 I 1 I O O 1.6 1.7 0.5 1.5/l .l ■溶洞围岩损伤 *隧道围岩损伤 4 6 8 溶洞尺寸/m 4结论 通过建立爆破荷载及地应力组合作用下动静 荷载作用下应力场、损伤场、渗流场多物理场的耦 合模型，研究在不同溶洞尺寸及位置条件下爆破开 挖对围岩渗流场、应力场、损伤场的影响，主要得出 以下结论 1 高地应力作用下，溶洞的位置及尺寸变化 导致了溶洞围岩的变形发生改变，进而影响溶洞内 水压力导致围岩内孔隙水压力分布发生改变。 2 在孔隙水压力的作用下，隧道与溶洞间围 岩中由动静组合共同作用产生的有效应力先衰减后 增强。围岩中孔隙水压力越大，有效应力的衰减、增 强规律越明显。 3 隧道围岩损伤范围与溶洞围岩损伤范围的 变化规律相反，当溶洞位于隧道上侧时，溶洞围岩的 损伤范围最大，隧道围岩的损伤范围最小;当溶洞半 径增大时，隧道损伤范围减小，溶洞损伤范围增大。 参考文献参考文献References [1] 赵延林，曹 平,马文豪，等岩体裂隙渗流-劈裂-损伤 耦合模型及应用[J]・中南大学学报自然科学版， 2017,483 7 94-803. 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